张志强， 冀路明， 庄亚平， 马守军， 吴正国

(1.海军工程大学电气与信息学院，湖北武汉 430033;2.海军装备研究院，北京 100161)

0 引言

随着电机调速技术的发展，电力电子变频调速器在舰船电机控制领域的应用越来越广泛。该调速方式具有调速范围宽、效率高、控制方便等优点，但是变频器在进行能量变换的同时也使得输入和输出侧的电压、电流含有丰富的高次谐波。这些高频的噪声信号会干扰其他敏感设备的正常工作。另一方面变频器大多运行在恶劣的电磁环境中，其内部由电子元器件、微处理芯片、控制电路等组成，会受到外界的电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)。因此，当变频器运行时，既要防止外界的EMI又要防止变频器干扰外界其他设备。EMI的产生需要具备三个条件:第一是干扰源(又称骚扰源);第二是敏感设备;第三是干扰传输通道或耦合途径［1］。

变频调速装置的大功率开关器件在开关过程中会产生非常高的电流和电压变化率，通过电路中寄生电感和寄生电容产生强烈的瞬态噪声。因此，主电路开关器件和相关电路产生的电磁噪声成为变频调速设备中的主要电磁干扰源。

变频调速装置中电力电子器件开关频率远低于通信系统的信号频率，因此其EMI主要还是集中在传导干扰上。传导干扰的特点如下:

(1)传导干扰主要由差模干扰和共模干扰两部分组成，因此在设计电源EMI滤波器时应分清干扰的特性，识别哪些是差模干扰，哪些是共模干扰，从而有针对性地对传导干扰进行抑制。

(2)差模干扰和共模干扰的频率特点。大部分的差模干扰出现在100 kHz以下的频段，而共模干扰通常出现在1 MHz以上，也可以相对地说差模干扰为低频干扰，共模干扰为高频干扰。而在100 kHz～1 MHz之间既有差模干扰又有共模干扰。因此，在设计电源EMI滤波器来控制传导干扰时，应根据这一特点来设计共模和差模滤波网络，使传导干扰得到有效抑制。

(3)传导干扰的控制标准。传导干扰的控制标准主要分为两大类:一类是军用标准，如GJB151A/152A等;一类是民用或商用标准，如GB9254等。这两类标准要求的频率范围不同，如GJB151A/152A中CE102是10 kHz～10 MHz，而GB9254中传导发射的频率是150 kHz～30 MHz。两类标准的限值也不同，军用标准比民用或商用标准的要求要严格得多。

本文主要讨论舰用变频调速装置的传导干扰问题和相应对策。

1 变频调速装置传导干扰的特点

传导干扰通过导线传输，即通过设备的信号线、控制线、电源线等直接侵入敏感设备，其中传导干扰的传输性质有电耦合、磁耦合及电磁耦合三种。变频调速装置传导干扰的特点如下:

(1)由于电力电子装置的主要电磁干扰源位于功率电路部分，噪声频谱范围非常宽，特别是在低频范围内能达到几赫兹的频率，这使得采用传统方法，如屏蔽和滤波来抑制电磁噪声变得非常困难。

(2)变频器的控制一般采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制方式，电力电子器件以确定的开关频率进行高速切换，输出高频PWM电压脉冲(一般开关频率小于20 kHz)，其产生的EMI频谱会在开关频率整数倍频率点上出现峰值。图1是一典型变频器输入的频谱图，其开关频率为 5 kHz，在 10、15、20、25、30 kHz等频率点上呈现峰值。

(3)电力电子装置的功率电路部分和控制电路板通常安装于同一个箱体中，而且有时应现场要求，电力电子装置通过数十米长的电缆与其负载相连，由此引发的电磁干扰源与电磁噪声敏感电路之间的电磁噪声传播以传导和近场耦合为主。这种电磁空间与边界条件的不规则和多样性使得电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)设计变得异常复杂。

(4)电力电子装置通常要处理很高的功率，导致装置体积和重量都很大，这给滤波器设计和安装带来一些实际的困难。

另外，舰船上均装备有多种电气、电子设备，这些设备靠舰艇电网供电，空间分布范围小、辐射频率范围近、辐射功率大，设备间易产生相互干扰，电磁环境的恶劣程度和复杂程度远超过陆地应用场合。舰用变频调速装置工作于这样的电磁环境下，对其EMC和可靠性提出了更高要求［2-4］。

图1 典型变频器输入的频谱图

2 舰用变频调速装置传导干扰抑制

抑制EMI的方法需从分析EMI三要素(即干扰源、敏感设备和传输或耦合途径)入手，采取有效的技术手段:抑制干扰源，减少不希望的发射;增加敏感设备的抗干扰能力，消弱不希望的响应;消除和减弱干扰耦合。主要的抑制干扰技术有:接地、搭接、合理的布线、隔离、屏蔽和滤波等技术，以及这些技术的组合使用。下文从工程实践的不同阶段出发，提出抑制舰用变频调速装置的传导干扰的方法和对策。

2.1 论证设计阶段

许多企业几乎不对产品进行EMC设计，只在发现EMC问题时才被动的从防范或补救出发，对产品进行修改，即所谓的“测试修改法”，这必然会带来许多困难与浪费。EMC的一条准则是“预防是最有效、最经济的方案”，因此EMC已成为电气系统和电气设备设计时必须重视的问题之一。该设计思路具有一定创意值得提倡、推广。

2.1.1 采用先进的变频器控制技术

变频调速装置的核心就是对电力电子器件的控制，通过使用特殊的控制算法消除或减弱变频器输出的干扰。如采用消除特定次谐波的PWM控制技术、随机PWM技术、软开关技术等。

消除特定次谐波的PWM控制技术就是利用适当的选择单脉冲PWM波的起点相位角和终点相位角，消除特定次谐波，以达到降低频谱中幅值大的频率点，减小变频器对外界的干扰。

随机PWM技术简称RPWM技术，其核心思想就是将确定式的开关规律进行随机化，如采用随机三角波代替固定式三角波作为载波，这样做的好处是将集中在某些频率点的能量分配到整个频谱，以达到减小EMI的目的。

软开关技术的主要目的是为了降低开关损耗，减小开关应力。理论上由于开关器件是在零电压/零电流条件下实现开通/关断的，因此采用软开关技术可使电压或电流上升、下降沿变缓，比硬开关变流器具有更低的EMI水平［5］。

2.1.2 采取EMI更低的硬件设计

使用多脉波整流技术或高频PWM整流技术，不仅可以减小谐波注入，还可以降低变频器输入端EMI强度，特别是低频段传导干扰。

进线电抗器用于降低由变频器产生的谐波，同时也可用于增加电源阻抗，并帮助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰。进线电抗器串接在电源和变频器功率输入端之间。当电网的短路阻抗小于1%时，建议增加进线电抗器来抑制低频干扰。

采用低寄生参数的母线设计。把电力电子装置主回路中所有不同电位的联接导线以又薄又宽的铜排形式迭放在一起，各层之间用很薄的高绝缘强度的材料粘合成一体，形成一种“三明治”结构，这就是所谓的叠层母线。图2为某变频调速装置主回路叠层母线结构设计图。该结构具有最低的寄生电感、均匀的分布电容、降低瞬态电压尖峰、减少EMI、结构紧凑等优点。

图2 某变频调速装置主回路叠层母线结构设计图

此外，传导干扰反相抵消技术及低共模干扰变流器对传导EMI具有非常大的作用。文献［5］中提到了多种共模反相抵消技术并应用于Buck、Boost、Flyback、Forward、Buck-Boost等基本变流器中共模干扰的部分抵消。其核心思想就是在系统中人为地构造两个电位变化幅度相同、相位相反的动态节点，从而使共模干扰得到极大的抑制。

2.2 样机生产阶段

在论证和设计阶段，按EMC原则进行设计，但不能保证生产出来的产品EMC指标都能达到标准规范要求。因此，在样机的实际生产安装时还要注意EMC问题，在满足功能的同时还要采取相应的EMC措施。

2.2.1 整体布局和走线

(1)设计控制柜体时要注意EMC的区域原则，把不同的设备规划在不同的区域中，如主功率区域、控制区域、传感器区域等。每个区域对噪声的发射和抗扰度有不同的要求。区域在空间上最好用金属壳或在柜体内用接地隔板隔离。变频器的安装板使用无漆镀锌钢板，以确保变频器的散热器和安装板之间有良好的电气连接。

(2)配线无论是系统内还是系统外都要遵循一个原则:避免线与线之间的相互窜扰。因此，在配线前应对各种线和电缆进行分类，如大功率电力线、低压电力线、控制线、高电平模拟信号线、低电平模拟信号线、高电平数字信号线、低电平数字信号线等，各种不同类型的导线应区分开来，分别走线，分层布置，避免将导线在控制箱中布置成环状，特别忌讳用一束多股电缆连接不同类型的线路。

(3)电机电缆应独立于其他电缆走线，其最小距离为500 mm;同时，应避免电机电缆与其他电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的EMI。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90°角交叉。

(4)避免各类导线长距离的平行走线，可以用双绞线代替平行导线，如果有多对双绞线则应注意各对双绞线之间的相对位置错开，各对双绞线最好采用不同的绞距。

2.2.2 隔离与屏蔽

(1)通过隔离电路将干扰源和敏感设备进行隔离。如采用隔离变压器将控制电源与主电源进行隔离;对于电力电子器件的驱动信号这类重要信号可以使用光纤代替普通导线。

(2)控制电缆最好使用屏蔽电缆。一般来说，控制电缆的屏蔽层应直接在变频器的内部接地，另一侧通过高频小电容(如3.3 μF/3 000 V)接地。当屏蔽层两端的差模电压不高和连接到同一地线上时，也可以将屏蔽层的两端直接接地。

(3)变频器的电机电缆必须采用屏蔽电缆，屏蔽层的电导至少为每相导线心电导的1/10。

(4)模拟信号线和低压数字信号线应使用双屏蔽的双绞线。不同的模拟信号线应该独立走线，有各自的屏蔽层，以减少线间的耦合，不要把不同的模拟信号置于同一个公共返回线上。

(5)屏蔽电缆进行连接时屏蔽层必须整圈连接，可以用合适的夹子将屏蔽层固定到安装板上。

2.2.3 接地与搭接

地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。该定义突出了地线中电流的流动，按照这个定义很容易理解地线中电位差产生的原因，这就是地线干扰的实质。根据地线的不同用处可将其分为安全地、工作地、信号地、参考地、屏蔽地等。接地方式主要有:单点接地、多点接地、混合接地、浮地等。

搭接是指两个金属物体之间通过机械、化学或物理方法实现结构连接，以建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过程。搭接方法可以分为:铆接、焊接、螺栓压接等。

(1)低频电路应采用树杈型放射式的单点接地，高频电路应采用平面式的多点接地。各种电路例如模拟电路、数字电路、功率电路、噪声电路等都设置了各自独立的地线，最后汇总到一个总的接地点或接地母线上。

(2)对于屏蔽电缆，如果连接低频电路则屏蔽层单端接地，如果连接高频电路则双端接地。

(3)接地导体应选用短和粗的接地线，最好采用扁平导体(例如金属编织网)，因其在高频时阻抗较低。

(4)变频器电机电缆的屏蔽层必须连接到变频器外壳和电机外壳上。这样变频器的高频噪声电流经屏蔽层流回变频器，减少了通过接地公共阻抗对其他设备的干扰。

2.2.4 滤波器

除了上述对变频调速装置内部采取抑制干扰源的措施外，还有一种有效的方法就是使用滤波器切断干扰源的传播路径。所采用的滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器两大类。

在功率变流器中，通常采用交流侧电源 EMI无源滤波器来抑制传导干扰，它实际上是一种低通滤波器。电源 EMI滤波器既可以大大衰减经电源传入的干扰信号，保护设备免受其害，又可以大大抑制设备本身产生的干扰信号，防止其进入电源，危害其他设备。由于变频器的开关频率较低，电源输入线电流较大，电源EMI滤波器设计时需要考虑共模扼流圈的磁心饱和效应和温升效应，滤波器整体体积、重量等问题。

电源EMI滤波器的安装对滤波器抑制作用的正常发挥起到十分重要的作用，安装时应注意以下几点:

(1)滤波器一般安装在机柜底部交流电源线入口处，不能让输入交流电源线在机柜内绕行很长距离再接滤波器，以免该线在机柜内辐射噪声。如果该线必须经过熔断器和电源开关等器件后才能接到滤波器上，则该段线路应施加屏蔽措施。

(2)滤波器金属机壳最好直接安装在金属机柜上，而且应与机柜的接地端子靠得越近越好。滤波器抑制共模噪声的滤波电容接滤波器金属机壳，高频共模噪声将通过滤波器接地端和机柜接地端之间的连接线入地，所以该连接线的电感越小越好。

(3)滤波器的输入、输出线要分开布置，不能平行走线，更不应该捆扎在一起，否则输入线中的噪声将不经滤波器直接耦合到输出线上。输出线最好用双绞线，加强抗磁场干扰能力。

有源滤波技术为滤除EMI噪声提供了一个可选择的方案，相比无源滤波器，有源滤波器体积更小，并且其性能受噪声源阻抗的影响也更小。抑制差模传导干扰的有源滤波原理为实时检测调速装置的畸变电流，并利用逆变器补偿电路产生反畸变电流，使电源电流保持为正弦或接近正弦的状态，以保证电源不受调速装置的影响，运行在低谐波、高功率因数状态，达到动态EMI滤波的作用。抑制共模传导干扰的有源滤波原理为:利用Y型电容检测到变流器产生的共模干扰电压，经过有源推动电路得到反向补偿电压Uc，通过互感变压器使三相输出线上的共模干扰电压得到补偿，如图 3 所示［8］。

图3 有源共模噪声补偿电路

3 结语

目前海军舰船上各种电子、电气设备之间的EMI已成为影响舰船安全的一个重要因素，对舰船的EMC要求越来越严格。舰用变频调速装置是一个强电磁干扰源，必须采取措施消除或减小其对自身控制电路和外界设备的干扰，同时也要防止外界干扰传导到变频调速装置内部，影响其正常工作。本文着重对舰用变频调速装置的传导干扰提出了确实可行的抑制对策，并成功应用于实际装备的生产中。

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